一种光学氢气传感器及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种光学氢气传感器及其设计方法。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，人类对能源的需求量不断的增加，而石油、煤炭和天然气等传统能源的储量在不断减少，这要求人们发展可再生新型能源。同时，传统能源的燃烧造成了严重的环境污染。而氢气是一种极其洁净的能源，其氧化产物只是水，且氢气可以通过光解水制备，因而氢气是一种可再生能源。目前，氢能已被广泛的应用在燃料电池和内燃机中。除此之外，在化工工业和炼钢工业中也广泛的用到氢气。然而，氢气是一种极易爆炸的气体，因此，氢能的广泛应用和工业中氢气的应用都需要高灵敏度的、性能稳定可靠的氢气传感器。
[0003]传统氢气传感器都是通过测量电阻变化来实现的，但电阻的测量无法实现远距离遥控地测量，而且在测量中有可能产生电火花，其对易燃易爆的氢气来说极其危险。目前来说，最常用的氢气传感器是钯基传感器，当钯暴露在氢气中时，会吸附和吸收氢气，形成氢化钯，从而使电阻发生改变。然而，在钯变成氢化钯后，它的折射率、质量和体积等也发生了变化，但是这些变化很微小，不易被测量出来。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种光学氢气传感器及其设计方法，以解决现有技术中无法实现氢气的光学传感的问题。
[0005]本发明的第一个方面是提供一种光学氢气传感器的设计方法，包括:
[0006]将金-钯纳米结构沉积在透明基座上，形成金-钯纳米结构的阵列；
[0007]利用所述金-钯纳米结构的阵列中金的表面等离激元共振来检测钯与氢气的相互作用而产生的变化；
[0008]根据所述变化产生共振峰的变化，并通过光学仪器对所述共振峰进行测量，从而形成光学氢气传感器。
[0009]进一步的，所述金-钯纳米结构的生成方法包括:
[0010]将十六烷基三甲基溴化铵浓度为0.01至0.05mol/L、金纳米颗粒浓度为IX 10_1Q至3X 10_1(lmOl/L以及氯钯酸浓度为0.01mol/L的溶液进行混合，从而形成混合溶液，使得所述混合溶液中所述氯钯酸的浓度为15至150 ymol/L ;
[0011]向所述混合溶液中加入浓度为0.lmol/L的抗坏血酸溶液，使得最终的混合溶液中所述抗坏血酸的浓度为75至150 ymol/L ；
[0012]将所述最终的混合溶液静置5至8小时，使得所述氯钯酸在所述金纳米颗粒的表面被还原形成钯壳；
[0013]将所述最终的混合溶液进行离心处理，所述离心处理的加速度为1300至2800g ;
[0014]移除所述离心处理后的所述最终的混合溶液中的上清液，在剩余的混合溶液中加入适量的去离子水并进行超声处理，直到所述剩余的混合溶液澄清并分散开，形成金-钯纳米结构的水溶液。
[0015]进一步的，所述透明基座是经过清洗和修饰、使其形成亲水的、负电性表面的透明基座。
[0016]进一步的，所述将金-钮纳米结构沉积在透明基座上，形成金-钮纳米结构的阵列的操作包括:
[0017]将所述金-钯纳米结构的水溶液进行再次离心处理，所述再次离心处理的加速度为 1300 至 2800g ；
[0018]彻底移除所述再次离心处理后的所述金-钯纳米结构的水溶液中的上清液，将剩余的金-钯纳米结构的水溶液中所述十六烷基三甲基溴化铵的浓度调控至20 ymol/L至2mmol/L，形成金-钮纳米颗粒溶液；
[0019]将所述经过清洗和修饰、使其形成亲水的、负电性表面的透明基座插入所述金-钯纳米颗粒溶液中；
[0020]静置8至12小时后取出所述透明基座并进行干燥处理，使得所述金-钯纳米颗粒溶液沉积在所述透明基座上，形成金-钯纳米结构的阵列；
[0021 ] 采用气体等离子体技术除去所述金-钯纳米结构的阵列中金-钯纳米颗粒表面的十六烷基三甲基溴化铵分子。
[0022]进一步的，所述金-钮纳米结构的阵列中金-钮纳米颗粒的浓度为10至100/ μπι2。
[0023]进一步的，所述采用气体等离子体技术除去所述金-钯纳米结构的阵列中金-钯纳米颗粒表面的十六烷基三甲基溴化铵分子的操作包括:
[0024]采用氧气等离子体、氮气等离子体、或氮气和氢气混合的等离子体技术对所述金-钮纳米结构的阵列进行清洗，从而除去所述金-钮纳米结构的阵列中金-钮纳米颗粒表面的十六烷基三甲基溴化铵分子。
[0025]进一步的，所述将剩余的金-钯纳米结构的水溶液中所述十六烷基三甲基溴化铵的浓度调控至20 ymol/L至2mmol/L的操作为:
[0026]在所述剩余的金-钯纳米结构的水溶液中加入所述最终的混合溶液体积一半的去离子水和浓度为0.01至0.lmol/L的十六烧基三甲基溴化钱。
[0027]进一步的，所述进行干燥处理的操作包括采用氮气吹干的方法。
[0028]进一步的，所述的透明基座包括普通玻璃、有机玻璃、氧化铟锡玻璃和氟氧化锡玻璃。
[0029]进一步的，若所述透明基座采用的是普通玻璃，则首先采用食人鱼洗液对所述透明基座进行清洗，然后采用97%酒精进行超声清洗20分钟，最后取出并用氮气吹干；
[0030]若所述透明基座采用的是有机玻璃、氧化铟锡玻璃或氟氧化锡玻璃，则首先采用97%酒精对所述透明基座进行超声清洗20分钟，然后采用旋涂法或提拉法在所述透明基座的表面修饰一层二氧化钛薄膜。
[0031]进一步的，所述二氧化钛薄膜采用钛酸四乙酯作为前驱体，采用盐酸做为水解催化剂，采用三嵌段共聚物做导向剂，采用乙醇作为溶剂，其中，所述钛酸四乙酯、所述盐酸、所述三嵌段共聚物、所述乙醇以及水的比例为0.5至1.5:1.0至2.5:0.005至0.015:25至40:5 至 9。
[0032]本发明的另一个方面是提供一种光学氢气传感器，包括:金-钯纳米结构和透明基座，其中，所述金-钯纳米结构沉积在所述透明基座上，从而形成金-钯纳米结构的阵列；利用所述金-钯纳米结构的阵列中金的表面等离激元共振来检测钯与氢气的相互作用而产生的变化；根据所述变化产生共振峰变化，并通过光学仪器对所述共振峰进行测量。
[0033]采用上述本发明技术方案的有益效果是:通过将金-钯纳米结构沉积在透明基座上，从而形成金-钯纳米结构的阵列，由于钯和金紧密接触，使得金-钯纳米结构的阵列传感灵敏度极高，能够实现极低浓度的探测。
【附图说明】
[0034]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]图1为本发明实施例提供的一种光学氢气传感器的设计方法的流程示意图；
[0036]图2为本发明的一个优选实施例提供的金-钯纳米结构的金-钯纳米棒水溶液中金-钯纳米棒的透射电镜图；
[0037]图3为本发明的又一个优选实施例提供的金-钯纳米棒沉积在玻璃片上的扫描电镜图；
[0038]图4为本发明的再一个优选实施例提供的金-钯纳米棒沉积在氧化铟锡玻璃片上的扫描电镜图；
[0039]图5为本发明实施例提供的一种光学氢气传感器在传感过程中纳米颗粒阵列消光光谱的变化曲线图；
[0040]图6为本发明实施例提供的一种光学氢气传感器在传感过程中其表面等离激元共振峰和强度随氢气浓度变化的曲线图。
【具体实施方式】
[0041]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]图1为本发明实施例提供的一种光学氢气传感器的设计方法的流程示意图，如图1所示，所述光学氢气传感器的设计方法可以包括如下步骤:
[0043]步骤101，将金-钮纳米结构沉积在透明基座上，形成金-钮纳米结构的阵列；
[0044]步骤102，利用金-钯纳米结构的阵列中金的表